东露天煤矿槽仓三维有限元变形分析.pdf
煤炭工程 第 52 卷第 6期 COAL ENGINEERING Vo l. 52, No . 6 doi 10. 11799/c e202006012 东露天煤矿槽仓三维有限元变形分析 杨詰,晁军 中煤西安设计工程公司,陕西西安710054 摘要结合工程算例,运用弹塑性理论开发三维并行有限元计算程序,选择合理本构模型, 对平朔东露天煤矿槽仓支护方案进行了数值模拟。结果表明开挖段开挖完成后,槽仓两侧壁上部 塌缩下部突出,整体变形上为滑动趋势;回填段回填完成后,发生的变形主要为重力方向的变形, 南北水平方向的变形相对较小,较大的垂直变形主要发生在靠近边坡朝里的一侧;开挖回填完成 后,槽仓结构的最大变形发生在槽仓东侧提升间结构的上端和下端,在上端变形显示为向外膨胀, 而在下端为对内挤压。利用三维并行有限元计算方法进行槽仓开挖回填过程的数值模拟研究具有可 行性,模拟结果满足工程以及理论上的基本要求,与实际工程测量结果大致吻合。 关键词露天煤矿;槽仓;有限元;变形 中图分类号TD824 文献标识码A 文章编号1671-0959202006-0054-05 Numerical simulation of 3D FEM deation analysis of coal bunker in Donglutian Coal Mine YANG Zh e, CHAO Jun Ch ina Coal Xian Design Engineer ing Co. , Ltd . , Xian 710054, Ch ina Abst r ac t Based on an engineer i ng ex ample, a 3D par allel finite element c alc ulation pr ogr am is d eveloped based on elastic- plastic th eor y, and r easonable c onstitutive mod els ar e selec ted and th e numer ic al simulation is c ar r ied out on suppor t sc h eme of c oal bunker in Donglutian Coal Mine is per for med . Th e r esults sh ow th at th e upper par t of th e two sid e walls of th e gr oove bin c ollapses and th e lower par t pr otr ud es, and th e over all d efor mation is in a slid ing tr end wh en th e ex c avation sec tion is c ompleted . Th e d efor mation oc c ur s mainly in th e d ir ec tion of gr avity, th e d efor mation in th e nor th -south h or izontal d ir ec tion is r elatively small, th e lar ger ver tic al d efor mation oc c ur s mainly near th e sid e of th e slope inwar d wh en th e bac kfill sec tion is c ompleted . Th e max imum d efor mation of th e silo str uc tur e oc c ur s at th e upper and lower end s of th e str uc tur e at th e east sid e of th e c oal bunker , sh owing outwar d ex pansion at th e upper end and inwar d ex tr usion at th e lower end wh en th e ex c avation bac kfill is c ompleted . It is feasible to use 3D par allel finite element numer ic al simulation on th e tr enc h ex c avation bac kfilling. Th e simulation r esults meet th e basic r equir ements of engineer ing and th eor y, and ar e in appr ox imate agr eement with th e ac tual engineer ing measur ement r esults. Key w o r ds open-pit c oal mine; bunker; finite element meth od FEM ; d efor mation 随着我国基础设施的快速发展,越来越多的工 程都面临着深基坑的问题。常用的研究方法主要有 理论方法、试验方法、数值法、理论与实际量测相 结合的方法等。因数值方法较传统方法有许多优势, 已成为现今比较流行的方法。国内外学者也对其进 行了大量研究。如杜东宁等⑴、张明⑵、朱建新⑶ 等采用有限元方法对深基坑开挖过程进行了仿真分 析。孟文清等⑷、郭力等⑸、韩健勇等0采用数值 分析法对深基坑围护结构受力变形及稳定性进行了 分析。李四维等⑺、霍润科等⑻采用有限元与现场 监测相结合的方法进行了深基坑开挖的变形分析。 但是,当前大部分的研究主要是针对高层、地铁等 形状较为规则,面积较小,支护结构较为单一的深 基坑进行的。 收稿日期2019-08-19 基金项目中煤建设集团科研项目JT-BAKJ-2015-003 作者简介杨詰 1983,男,陕西西安人,硕士,高级工程师,研究方向岩土工程,E-mail 252606067 qq. c omo 引用格式杨詰,晁军.东露天煤矿槽仓三维有限元变形分析[J].煤炭工程,2020, 526 54-58. 54 2020年第6期煤炭工程 设计技术 目前,对于大型槽仓,由于基坑支护深度大, 结构受限制,仓壁坡度陡,变形控制要求高,有限 元网格数目接近100万单元,鲜见利用商用软件进 行三维计算,商业软件也无法计算这样大的规模, 三维并行计算更是未见先例。本次山西平朔东露天 煤矿槽仓的有限元计算,基于弹塑性模型进行三维 并行有限元力学分析[9,0],散粒体计算采用了颗粒 离散元算法[1112],共86. 5万单元,在曙光并行机 上,利用40个节点即40个CPU进行并行计算,每 个方案计算25min左右。尤其是三维并行有限元算 法和散粒体离散元算法,具有理论上的开创性,应 用于目前国内最大规模的储煤槽仓具有示范意义, 因此该项目具有理论和应用的双重意义。 1工程概况及地质条件 1.1工程概况 平朔东露天煤矿选煤厂位于山西省朔州市, 2009年1月5日开工建设。槽仓设计储量为20万t, 服务年限80a,为目前国内最大规模的储煤槽仓。槽 仓长237.0m,上口宽3 黄土地层等土体采用八节点六面体实体单元模拟, 根据固体力学弹性及塑性理论选用适当物理本构模 型。钢筋混凝土部分,如落煤筒、仓下暗道、两侧 建筑挡墙等结构,也采用实体单元模拟,采用小变 形弹性力学及塑性力学理论分析;锚杆、锚索、土 钉等支护,由于使用方式为批量系统使用,故而采 用等效刚度方法模拟,其中锚杆采用全程较接的小 变形小应变杆单元理论模型,选用线弹性本构模型; 锚索采用两端较接中间非协调变形的杆单元理论模 55 设计技术煤炭工程2020年第6期 型,小变形小应变线弹性本构模型;土钉采用与土 体协调变形的杆单元理论模型,计算本构模型为线 弹性模型。 挖方段在地应力平衡的基础上,做一次性开挖 处理,采用岩土弹性塑性模型卸载。为减少程序编 写的工作量,卸载过程和填方过程采用同一计算本 构模型。槽仓的开挖和填筑过程采用准静态模型分 四步模拟,黄土的开挖与支护效果则采用死活单元 模拟。 最终依据工程地质资料采用图形建模软件GID 建立计算几何模型如图1所示。 1.2534 0.123 1.0432 0.597X5 -0.30505 L 爲\ 9977厦一 St啓岁 6.49448 邀■-0.34604 图3初始地应力下南北水平方向变形等值线图 图1有限元模型 图4初始地应力下重力方向横剖面处变形等值线图 3三维数值模拟结果与分析 在计算中,开挖与回填均分四步完成,每一步 开挖都是在前一步计算的基础上进行,初始地应力 下的位移变形与应力分布情况如图2图5所示。 图2初始地应力下重力方向变形等值线图 重力方向整体变形发生在- 28. 253mm到 12. 745mm之间,而南北水平方向的变形发生在- 11.294到1 1.836mm之间整体上看,初始网格变 形量不大。 3.1挖方段计算结果 限于篇幅,本文仅给岀了最后一步即第4步开 挖结束时开挖区重力方向和南北水平方向变形等值 线,如图6、图7所示。 由图6、图7可知,开挖区竖向变形为正,表示 图5初始地应力下南北方向横剖面处变形等值线图 图6第四次开挖区重力方向变形等值线图 地层开挖后基础向上反弹。在本次分析计算中考虑 施工过程与工序的影响,开挖分四次完成。每次开 挖后,开挖边坡向临空面方向回弹,槽仓两侧壁处 变形稍大,表示边坡变形,两侧壁上部塌缩下部突 56 2020年第6期煤炭工程设计技术 0.93381 -0.52774 -0.41336 0.049625 0.40349 1.7406发連 *0.46378 f.0223 J 0.2129 卜0.5008 -0.39209 OTBI 1.0043 ■ -0.04716 |.885| .1363 -2.6651 |. [-0.2529 -1 图7第四次开挖区南北水平方向变形等值线图 出,最大回弹位移位于暗道底部。整体变形上为滑 动趋势。槽仓外侧支护桩顶部临时支护梁与暗道顶 部横梁有效抑制了边坡水平位移,起到了加固的关 键作用。 每次开挖后,地层会有少量向上反弹。从计算 结果中可知开挖区背离落煤筒的地方向上反弹幅度 更大,而靠近落煤筒处开挖过程中变形则相对较小。 此外,历次开挖结果图表明,挖方区边坡开挖过程 中,边坡向临空面方向滑移,开挖到设计边坡坡脚 时,最大位移位于边坡坡脚处;继续开挖,最大位 移处即向下转移,集中在外侧支护桩与左侧护壁桩 之间。在南北方向的水平其变形幅值不超过为 3.5c m,相对整个模型的尺度来说,不易发生边坡滑 塌问题,由于不考虑地层暴露力学性质的改变,整 体开挖区域有少量回弹,与建筑物接触处变形量可 不计。 槽仓开挖加固后,应力场发生重新分布,塑性 区位于槽仓暗道底部、暗道顶梁与外侧支护桩之间、 边坡坡脚与外侧支护桩连接处附件,这些地方是支 护设计的重点加固部位,应引起高度重视。 3.2填方段计算结果 限于篇幅,本文仅给出了最后一步(第4步)回 填结束时回填区重力方向和南北水平方向变形等值 线,如图8图11所示。 图8第四次回填后重力方向变形图 14.4648 .8498 宦 7. 2.4778|; 4.7395 K j 0.39125 10.66刃息兰 I *2r-亠 ________, 832lfcfep-1.5876 -5.89 ,,55110.30664 ------ 寸-2.91l6i 11.657 7.66651 图9第四次回填后南北水平方向变形图 50.955k -497 37.197 11.148 -5.4238 -2.458 .4331 ■35.121 H-27XO4 Sy ;他 WWW 图10第四次回填后重力方向横剖面处变形图 10.517851 73314| |0.81518| J .8658| ■0.394; ; |0.14313| 1.3774| [0.60 細 .0.4626 -0.997761 ■O.QIK53; ; 0.690281 ,0.6891 1.30251 1-0.403961 | .29763| 丄3461 ■ ◎巴x| |0.沛29|| 图11第四次回填后南北水平方向横剖面处变形图 由图8图11可知,填方区边坡施工过程中, 每次回填都认为是在前次回填稳定的基础上进行, 只计算本次回填的沉降和荷载增量对前面回填底层 的影响。从历次回填的计算结果看,随着填方一层 一层固结完毕,水平位移和竖向位移均逐渐增大, 但发生的变形主要以重力方向的变形为主,较大的 垂直变形主要发生在靠近边坡朝里的一侧,坡脚与 暗道左侧护壁桩底部岀现应力集中,并表现出较大 水平位移。但每次回填的最大下沉量在57c m之 间,边坡在南北水平方向的变形也相对较小,变形 幅值不超过1.5c m。 此外在回填过程中,边坡表层岀现部分塑性区 域,表明边坡表层土体可能会出现浅层滑动,需要 进行表层土体的加固防护。回填土与原状土连接段 及回填土底层部分亦出现塑性区,表明施工中在该 57 设计技术煤炭工程 2020年第6期 区域需做好不同土质的压实衔接、 4与实测结果比较 为了进一步说明三维并行有限元计算方法的准 确性,本文将数值计算结果和现场实际监测数据进 行了比较,对比结果见表1。 表1数值模拟与实际监测值结果比较 mm 项目累计垂直变形值累计水平变形值 挖方区 数值计算65.23 93 实际监测37.635.4 填方区 数值计算51.83 12. 72 实际监测34.211.9 通过计算数据与监测数据的比较,槽仓最终累 计垂直和水平变形值均较实际监测数据值大。其中 水平变形值相差较小,误差率仅6. 89-9. 97; 垂直变形值相差虽较大,但总体趋势基本相同,均 满足工程需要。 此外,监测数据反映槽仓的水平变形值较小, 说明整个槽仓在施工期间是稳定可靠的,没有发现 任何异常突变,也说明槽仓在开挖期间在一定程度 上没有引起水平位移的变化。而槽仓的垂直变形值 较大,说明槽仓的开挖对垂直位移监测点有一定影 响,但这种影响在安全范围之内。 5结论 1 利用有限元法进行槽仓开挖回填过程的数值 模拟研究是切实可行的,模拟分析得到的数值结果 满足工程以及理论上的基本要求,与实际工程测量 结果大致吻合。 2 基于数值模拟结果,开挖段每次开挖后,地 层会有少量向上反弹。当第四次完成后,槽仓两侧 壁处变形稍大,表示边坡变形,两侧壁上部塌缩下 部突出,整体变形上为滑动趋势。此外,挖方区边 坡开挖过程中,在南北方向的水平变形幅值不超过 为3.5c m,满足工程需要。 3 基于数值模拟结果,回填段每次回填后,发 生的变形主要为重力方向的变形,南北水平方向的 变形相对较小,较大的垂直变形主要发生在靠近边 坡朝里的一侧,每次回填的最大下沉量在57c m之 间。南北水平方向的变形幅值不超过1.5c m,满足 工程需要。 4 开挖回填完成后,槽仓结构的最大变形发生 在槽仓东侧提升间结构的上端和下端。在上端变形 58 显示为向外膨胀.而在下端为对内挤压,不过整体 来看变形幅度均不大,最大变形1.7c m左右,满足 工程需要。 参考文献 [1] 杜东宁,张向东,杨 逾,等.沈阳东森深基坑工程三维有 限元分析[J].广西大学学报自然科学版,2012, 37 4 763-768. 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